具有倒數計時自動回復功能的行人穿越道號誌控制電路

作者： Danny Yang
 A Pedestrian Crossing Safety Circuit with Self-resetting Countdown Timer

先前的文章簡易行人穿越道號誌控制電路，行人必須在安全穿越馬路後，手動按下「回復」按鈕，路口的燈號才會由亮紅燈回復到閃黃燈。本文以先前的簡易號誌控制電路為基礎，進一步將電路修改為一具有倒數計時自動回復功能的行人穿越道號誌控制電路，如圖一所示。


電路功能

平時路口閃黃燈，當有行人要安全地穿越車道時，可按下「通行」按鈕，按下後路口黃燈熄滅，轉而亮紅燈，行駛的車輛停止行進等待行人通過。此時，顯示器會顯示倒數計時起始秒數 30 秒，並開始倒數計時。ㄧ旦倒數計時至 0 ，路口紅燈就熄滅，轉而閃黃燈，原停止的車輛就可以恢復行駛。

具有自動倒數計時回復功能的行人穿越道控制電路
圖一    具有自動倒數計時回復功能的行人穿越道號誌控制電路 (七段顯示器為共陰型)


動作原理
  1. 電源打開瞬間，NOR Gate IC 4001 的第 5 腳會接收到邏輯 "1" 的訊號，且無論其第 6 腳接收到的訊號為何，第 4 腳會輸出邏輯 "0" 給 IC 4001 的第 2 與第 1 腳，導致其第 3 腳輸出邏輯 "1" 給 D 型正反器 4013 的第 4 腳 ($CLR$)。此時在第 6 腳 ($PR$) 恆為接地的情況下，IC 4013 的第 1 腳 ($Q$) 會輸出邏輯 "0"，使得紅色 LED 熄滅，且圖中左邊的 555 無穩態振盪器輸出的矩型波的反相波會出現在 IC 4001 的第 11 腳，驅動黃色 LED 閃爍。
  2. 電源穩定後，IC 4001 的第 5 腳會接收到邏輯 "0" 的訊號；同時因為左側的十進制上下數計數器 IC 4029 並未有借位輸出，所以第 7 腳 ($\overline {CARRY \ \ OUT}$) 會輸出邏輯 "1" 給 IC 4001 的第 8 與第 9 腳，導致 IC 4001 的第 10 腳輸出邏輯 "0" 給 IC 4001 的第 6 腳，使得最終 IC 4001 的第 3 腳輸出邏輯 "0" 給 D 型正反器 IC 4013 的第 4 腳 ($CLR$)。在第 6 腳 ($PR$) 恆為接地的情況下，IC 4013 的第 1 腳 ($Q$) 會維持原態輸出邏輯 "0"，因而紅色 LED 維持熄滅，左邊的 555 無穩態振盪器輸出的矩型波的反相波一樣會出現在 IC 4001 的第 11 腳，驅動黃色 LED 閃爍。此外電晶體 2SC1384 未導通，使得共陰型的七段顯示器共同端未能接地，因而顯示器呈現關閉狀態。
  3. 當有行人打算穿越道路，按下「通行」按鈕，會產生正緣觸發訊號進入 IC 4013 的第 3 腳 ($CK$)，因此時其第 5 腳 ($D$) 恆輸入邏輯 "1"，在 $PR$ = "0" 且 $CLR$ = "0" 情況下，其第 1 腳 ($Q$) 會因此而輸出邏輯 "1"，讓紅色 LED 亮，同時黃色 LED 熄滅 ( IC 4001 第 12 腳輸入邏輯 "1"，無論第 13 腳輸入何種訊號，其第 11 腳必輸出邏輯 "0" )。此外，「通行」按鈕按下瞬間，產生的高準位訊號也同時輸入至兩個可預設倒數計時值的計時 IC 4029 各自的第 1 腳 ($PL$) ，使得倒數計時初值 (計時器的十位數與個位數分別是十進制 3 與 0) 會各自載入這兩個計時器內，待按鈕鬆開後所輸入低準位訊號給 IC 4029 的第 1 腳，就完成了預設值的載入並開始倒數計時〔 註：$100 K \Omega$ 的可變電阻器阻值須經適當調整，使得計時器倒數值能約每隔一秒變化一次 〕。
  4. 當倒數計時至 00 秒時，如圖二所示，左邊的 IC 4029 的第 7 腳  ($\overline {CARRY \ \ OUT}$) 會輸出一邏輯 "0" 的訊號給反或閘 IC 4001 的第 8、9 腳，導致其第 10 腳輸出邏輯 "1" 的訊號，此訊號再輸入其第 6 腳。此時，IC 4001 的第 3 腳會出現邏輯 "0" 的訊號給 IC 4013 的第 4 腳 ($CLR$)，造成 IC 4013 的第 1 腳輸出邏輯 "0"，因而紅色 LED 熄滅、黃色 LED 閃爍。意即 30 秒後又回復到初始狀態。                                                         

倒數計時至 00 後回復至紅燈滅黃燈閃
圖二    倒數計時至 00 後回復至紅燈滅黃燈閃


設計思維

首先，我們利用如圖三所示的 $RC$ 電路來產生電源訊號。當電源打開瞬間，$0.1\mu F$ 的電容可視為短路，產生的電源訊號為邏輯 "1"；而極短的時間之後當電源穩定時，$0.1\mu F$ 的電容可視為斷路，電源訊號則為邏輯 "0"。

圖三    RC 電路產生的電源訊號


假設電源訊號狀態以 $P$ 表示， $P = 1$ 表示電源打開瞬間，而 $P = 0$ 則是電源已穩定。又負責十位數倒數計時的 IC 4029 借位狀態以 $\overline {CARRY \ \ OUT}$ 表示。$\overline {CARRY \ \ OUT} = 1$，表示倒數計時尚未結束，反之 $\overline {CARRY \ \ OUT} = 0$，則表示倒數計時結束。另外，$CLR$ 表示 IC 4013 D 型正反器的 $CLR$ 接腳輸入狀態，$CLR = 0$ 表示輸入 "0" 給  IC 7474 的 $CLR$ 接腳，$CLR = 1$ 則表示輸入 "1" 給該接腳。根據電路功能，我們可以得到圖四的真值表。

真值表
圖四    真值表

舉例來說，當電源穩定 ($P$="1") 且通行按鈕已按下 ( 啟動倒數計時 ) ，倒數計時完畢 ($\overline{CARRY \ \ OUT} = 0$ ) ，為了產生回復作用，則電路必須送出一邏輯 "1" 訊號 (即 $CLR$ = 1) 給 IC 4013 的 $CLR$ 接腳，讓其 $Q$ 腳輸出邏輯 "0" ，使得紅色 LED 能熄滅，而黃色 LED 可以閃爍。

圖四真值表的邏輯表示式如下：
$$\overline{CLR} = \overline P \cdot \overline{CARRY \ \ OUT}$$
$$CLR=\overline{\overline P \cdot \overline{CARRY \ \ OUT}}$$
$$\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;=P + CARRY \ \ OUT$$
$$\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;=\overline{\overline{P + \overline{\overline{CARRY \ \ OUT}}}}$$
上式的邏輯電路則如圖五所示。

處理電源打開瞬間與回復的行人穿越道電路邏輯電路部分
圖五    處理電源打開瞬間與回復的行人穿越道電路邏輯電路部分

最後，如圖六所示，通行按鈕按下，我們必須要能產生一個正緣的時脈，讓 D 接腳恆輸入邏輯 "1" 的 IC 4013 在 $PR$ = "0"  以及 $CLR$ = "0" 情況下能觸發，使得 其 Q 接腳輸出邏輯 "1"  讓紅色 LED 亮，且黃色 LED 熄滅。此外，產生的正緣的時脈，即在通行按下時剛好可產生一個由低準位變高準位訊號，輸出給兩個 IC 4029 的 $Preset$，可將計時預設初值載入計時器。且當按鈕鬆開後，回復低準位電壓輸入，就停止計時初值的載入。

處理通行按鈕按下的電路部分
圖六    處理通行按鈕按下的電路部分






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